CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ BIOMASS 1. Định nghĩa:[2] Biomass là nguồn năng lượng rất truyền thống. Từ cổ xưa những nguồn sinh thể được sử dụng để đốt trực tiếp nhưng ngày nay các sinh thể thực vật, động vật được thực hiện chuyển hóa hóa học, chuyển hóa sinh học để tạo ra các nhiên liệu như: biodiesel, bioetanol, bioga…trong nhóm nguồn năng lượng từ biomass nhiều quốc gia đang tập trung vào các hướng: tái tạo hiệu quả cao biomass, tận thu tối đa biomass phế thải (nhằm tạo nguồn nguyên liệu rẻ tiền), nghiên cứu và phát triển công nghệ phù hợp để chuyển hóa biomass thành nhiên liệu. Biomass có nguồn gốc từ cacbon và được tạo thành từ các phân tử hợp chất có chứa hiđro, thường có cả nguyên tử oxi, nitơ và cả 1 lượng nhỏ kiềm, đất kiềm và kim loại nặng.
Than củi: Đây là một dạng năng lượng truyền thống, có từ lâu đời. Người ta sản xuất than củi bằng cách đốn cây và cành có đường kính nhỏ từ 15-30 cm, chất vào lò, đ ốt và bịt tất cả các đường thông khí. Củi cháy từ từ, cho đến khi than hóa toàn bộ. Sản phẩm được sử dụng trong đun nấu.
Viên đốt: Viên đốt là một dạng than hiện đại, được chế biến bằng cách xay vụn các loại cành nhánh, sấy khô và phối trộn với một số chất bắt cháy như diêm sinh và các chất kết dính, rồi ép thành viên, đóng gói. Loại này thường được sử dụng cho đốt lò sưởi, đun nước nóng ở vùng ngoại ô các thành phố của Châu Âu. Chuyển hóa thành chất lỏng: Một số nghiên cứu cho thấy có thể dùng phản ứng nhiệt phân có hoặc không có xúc tác cho việc chuyển hóa các loại cành nhánh đã xay nh ỏ nói trên, trong những điều kiện nhất định để tạo thành các hợp chất hyđro cacbon dạng lỏng như dầu hỏa. SVTH: Nguyễn Hữu Hưng – 071943H 4 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC GVHD: PGS.TS HỒ SƠN LÂM 1.
Khí hóa bằng vi sinh: Khí hóa bằng vi sinh được thực hiện bằng cách ủ các loại cành cây nhỏ, lá, thân cỏ, các loại rau, thảo mộc phế thải với các loại phân chuồng của gia súc như trâu, ò, b heo…trong nh ững hầm kín. Sau một thời gian qua tác dụng của vi sinh, các thành phần xenlulo bị phân hủy thành khí metan, CO2. Các loại khí này được dẫn theo đường ống ra ngoài vào các bếp ga và đốt cháy như ga của khí dầu mỏ. Dạng năng lượng này không chỉ có lợi về mặt kinh tế mà còn có lợi về mặt môi trường.
Phần thải cuối cùng là một loại phân sinh học rất tốt cho đất. Xăng sinh học (biofuel): Xăng sinh học thực chất là cồn (etanol) có hàm lượng etanol lớn hơn 99,5% trộn với xăng công nghiệp hóa dầu theo các tỷ lệ khác nhau: - Từ E 20 (etanol 20%, xăng 80%) - Đến E 85 (etanol 85%, xăng 15%) Nguyên liệu sản xuất cồn: - Mía và công nghiệp đường. - Nguồn nguyên liệu từ Ngô. - Từ các loại tinh bột khác.
Diesel sinh học (biodiesel): Diesel sinh học là dạng este của các loại dầu thực vật, mỡ động vật, pha với dầu diesel làm nhiên liêu. Để có thể chuyển hóa các loại dầu thực vật, mỡ động vật thành biodiesel, cần phải tiến hành phản ứng transeste hóa và loại glyxerin ra khỏi hỗn hợp. SVTH: Nguyễn Hữu Hưng – 071943H 5 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC GVHD: PGS.TS HỒ SƠN LÂM Hình 1. Tiềm năng sử dụng biomass ở Việt Nam:[10] Sự cạn kệt nguồn tài nguyên thiên nhiên đặc biệt là tài nguyên không tái tạo và những tác động của việc sử dụng những tài nguyên này đối với môi trường gây ra hiệu ứng nhà kính và nhiều tác động khác gây nguy hiểm cho môi trường sống.
Vì vậy, tiềm năng phát triển các sản phẩm năng lượng sinh học và năng lượng tái tạo là rất lớn. Đứng về mặt địa lý, Việt Nam là một quốc gia vùng nhiệt đới, có rất nhiều điều kiện để phát triển năng lượng sinh học. Mặt khác, hoạt động sản xuất nông nghiệp hay ngư nghiệp của Việt Nam hàng năm tạo ra rất nhiều chất thải hữu cơ, nếu quyết định tận dụng để chế biến thành nhiên liệu, thì đây sẽ là một nguồn năng lượng đáng kể. Việt Nam là nước nông nghiệp với khoảng 80% dân số sống ở vùng nông thôn.
Những năm qua ngành chăn nuôi phát triển mạnh cả về số lượng lẫn quy mô. Theo tính toán của các chuyên gia trong nước thì hàng năm, t ổng đàn gia súc, gia cầm Việt Nam sẽ thải ra môi trường khoảng 73 triệu chất thải rắn. Đây là nguồn nguyên liệu khá dồi dào để phát triển nguồn năng lượng này. SVTH: Nguyễn Hữu Hưng – 071943H 6 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC GVHD: PGS.TS HỒ SƠN LÂM Hình 1.
Các dạng biomass ở Việt Nam 1. Nhận xét: Như vậy từ nhiều nguồn biomass có thể tạo ra các loại nhiên liệu phù hợp, đáp ứng nhu cầu cuộc sống của con người hiện nay. Các nghiên cứu gần đây đã cho thấy, có thể sản suất nhiên liệu (như etanol) từ các phế phẩm nông, lâm nghiệp như rơm, rạ, trấu, cành khô…Theo nghiên cứu, công nghệ xenlulo là công nghệ “sử dụng vi khuẩn chuyển đổi phần cứng và xơ của thực vật (xenlulo và lignin) thành tinh bột, chất có thể lên men bởi vi khuẩn để sản xuất etanol”. Rõ ràng là bất kỳ chất nào từ rác nông nghiệp đến cây trồng hay cây trồng bằng kỹ thuật sinh học cũng có thể là nguồn xơ sợi thực vật.
Hiện nay hàng triệu tấn vật liệu thải xơ sợi không được sử dụng tại Hoa Kỳ. Chính vì thế luận văn sẽ khảo sát khả năng trương nở và hòa tan của xenlulo và rơm trong một số dung môi để tạo ra nhiên liệu, đáp ứng cho thị trường và cuộc sống hiện nay. SVTH: Nguyễn Hữu Hưng – 071943H 7 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC GVHD: PGS.TS HỒ SƠN LÂM CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ RƠM 2. Đặc điểm của rơm:[11] Rơm là các loại cây lúa hoặc là các loại cỏ, cây họ đậu hay cây thân thảo khác đã được cắt, sấy khô và được lưu trữ để sử dụng làm thức ăn cho gia súc, động vật nuôi khác, đặc biệt là đối với gia súc chăn thả như trâu, bò, ngựa, dê, và cừu.
Rơm cũng làm thức ăn cho vật nuôi như thỏ và chuột lang. Lợn có thể được cho ăn rơm nhưng chúng tiêu hóa không tốt như động vật ăn cỏ thực thụ. Thông thường rơm được lấy từ nguồn các loại cây lúa mì, lúa ưn ớc sau khi thu hoạch phần hạt, còn lại phần lá. Rơm còn là ngu ồn thức ăn dự trữ rất tốt cho các gia súc nhất là khi mùa rét, gia súc không thể chăn thả trên các cánh đồng, và không có sẵn do thời tiết (chẳng hạn như trong mùa đông).
Khi mùa rét, trâu bò, ngựa, dê không thể chăn thả người ta thường cho chúng ăn rơm, tuy rơm không có các chất bổ hoặc dinh dưỡng nhưng có chức năng lót dạ tạm thời khiến chúng có cảm giác no vì vậy sẽ không chết đói. Rơm cũng cho ăn trong suốt thời gian khi một con vật không thể ra đồng cỏ, chẳng hạn như khi các động vật được giam giữ trong chuồng hoặc nhà kho. Ngoài ra rơm òn c đư ợc sử dụng để làm chất đốt rất tốt, ở vùng nông thôn Việt Nam, người ta thường dùng rơm để thổi lửa, đun nấu. bên cạnh đó, rơm còn là nguyên liệu quan trọng để nuôi trồng nấm rơm (một loài nấm chuyên mọc trên rơm).
Các thành phần chính của rơm, rạ là những hydratcacbon gồm: Lignoxenlulo 37,4%; hemixenlulo 44,9%; lignin 4,9% và hàm lượng tro (oxit silic) cao từ 9 - 14%. SVTH: Nguyễn Hữu Hưng – 071943H 8 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC GVHD: PGS.TS HỒ SƠN LÂM 2. Phân bố - Giá trị sử dụng của rơm: 2. Phân bố:[7] Hình 1.
Bản đồ thể hiện vùng trồng lúa ở Việt Nam Sự phân bố rơm sẽ phụ thuộc vào sự phân bố của lúa. Vì đa ph ần nơi nào trồng lúa thì nơi đó s ẽ có rơm. Vì v ậy, dựa vào bản đồ của các khu vực trồng trọt lúa hiện nay để biết được diện tích phân bố của rơm. Dựa vào bản đồ trên có thể thấy việc trồng lúa ở Việt Nam tập trung chủ yếu ở vùng Đồng bằng sông Cửu Long thuộc phía Nam (3,8 triệu ha) và ở vùng Đồng bằng sông Hồng ở phía Bắc (1 triệu ha).
Phần còn lại là ở các vùng ven biển miền trung, các vùng cao nguyên trung bộ, các huyện về phía đông bắc và tây bắc nằm ngoài khu vực sông Hồng. SVTH: Nguyễn Hữu Hưng – 071943H 9 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC GVHD: PGS.TS HỒ SƠN LÂM 2. Giá trị sử dụng:[9] - Rơm rạ là một trong những phế thải nông nghiệp có rất ít giá trị sử dụng: một phần được dùng làm thức ăn cho trâu bò, một phần được chế biến làm phân bón vi sinh còn phần lớn bị đốt bỏ ngay trên cánh đồng gây lãng phí và ô nhiễm môi trường. - Những kết quả nghiên cứu gần đây cho thấy, mỗi tấn thóc thu được sẽ cho tương ứng là 1,35 tấn rơm rạ trên cánh đồng.
Từ năm 2002 đến nay, trung bình nước ta sản xuất trên 34 triệu tấn gạo/năm. Điều này cũng có nghĩa là kho ảng hơn 40 triệu tấn rơm rạ được tạo ra hàng năm. Nhưng hiện nay người ta đã có hướng đi mới để tăng khả năng sử dụng rơm: - Từ 1 tấn rơm rạ, có thể cho ra 250kg nhiên liệu lỏng. Các nhà khoa học thuộc viện Hóa học (Viện KH&CN Việt Nam) đã sản xuất thành công loại dầu sinh học (Bio-oil) từ rơm rạ bằng công nghệ nhiệt phân.
- “Nếu đốt 1 tấn rơm rạ, người nông dân chỉ thu được một lượng tro không đáng kể để bón ruộng, đồng thời gây ô nhiễm môi trường. Trong khi đó, 1 tấn rơm rạ có thể tạo ra khoảng 250kg nhiên liệu lỏng thô để sản xuất dầu sinh học…” PGS.TS Đặng Tuyết Phương, phòng hóa lý -bề mặt, viện Hóa học Việt Nam cho biết. - Nhiều nước đã chế tạo nhiên liệu sinh học từ sản phẩm nông nghiệp như từ ngô (Mỹ), từ mía đường (Brazil), củ cải đường (các nước ở châu Âu)… để thay thế nhiên liệu hóa thạch. Song nguồn nguyên liệu này khá đắt và chưa ổn định, đó là chưa kể đến việc có thể gây ra khủng hoảng lương thực dẫn đến mất an ninh lương thực.
- Trong khi đó, nguồn rơm rạ sẵn có và rẻ tiền chiếm khoảng 66% trên tổng lượng phế thải nông nghiệp hầu như chưa được sử dụng hiệu quả. Nếu tận dụng được nguồn rơm rạ này để sản xuất nhiên liệu sinh học sẽ có ý nghĩa hết sức to lớn về nhiều mặt.